[實用新型]一種基于三維多孔石墨烯超薄膜的垂直響應(yīng)型氣體傳感器

有效

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• 申請日: 2016-12-11
• 公開（公告）號: CN206369714U
• 公開（公告）日: 2017-08-01
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王艷艷;彭長四;陳林森
• 申請（專利權(quán)）人: 蘇州大學(xué)
• 主分類號: G01N27/12
• 分類號: G01N27/12
• 代理公司: 蘇州創(chuàng)元專利商標(biāo)事務(wù)所有限公司32103
• 代理人: 陶海鋒,孫周強

技術(shù)領(lǐng)域

本實用新型屬于傳感器技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種納米傳感器，具體涉及一種基于三維多孔石墨烯超薄膜的垂直響應(yīng)型氣體傳感器。

背景技術(shù)

氣體傳感器在環(huán)境監(jiān)測、食品安全、醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。隨著納米技術(shù)的發(fā)展，采用金屬氧化物半導(dǎo)體納米顆粒、碳納米材料及二維納米薄膜等都已經(jīng)用來作為敏感材料構(gòu)成氣敏傳感器，與傳統(tǒng)傳感器相比具有更加優(yōu)異的檢測性能。其中，石墨烯自從2004年被發(fā)現(xiàn)以來，引起了廣泛的關(guān)注；單一石墨烯片構(gòu)成的傳感器存在可重復(fù)性差、單一片破裂而造成的穩(wěn)定性不高等缺點，構(gòu)筑石墨烯片薄膜網(wǎng)絡(luò)成為制備出高效石墨烯傳感器非常有效的方法之一。然而，在構(gòu)筑石墨烯薄膜網(wǎng)絡(luò)的過程中，由于片層堆砌作用，容易造成薄膜中石墨烯片與氣體分子的接觸面積大幅降低，從而影響傳感器的氣敏性能。

現(xiàn)有石墨烯薄膜氣體傳感器一般采用平面布置電極的結(jié)構(gòu)，即正負電極都位于膜的平面內(nèi)，電流在石墨烯平面內(nèi)遷移時，載流子將受到石墨烯表面粘附的氣體分子的遲滯影響，從而導(dǎo)致目前普遍研究的石墨烯薄膜傳感器存在響應(yīng)和恢復(fù)變慢的問題。

發(fā)明內(nèi)容

本實用新型針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種基于三維多孔石墨烯超薄膜的垂直響應(yīng)型氣體傳感器，與平面型輸運響應(yīng)不同的是，該結(jié)構(gòu)中電流以垂直于石墨烯薄膜方向流動，避免了平面內(nèi)由于石墨烯面對氣體分子的粘附而導(dǎo)致其對載流子的阻礙作用，從而實現(xiàn)制作的氣體傳感器對氣體分子極其靈敏快速的響應(yīng)性能，采用高功率紫外輻照及有機分子修飾靜電自組裝技術(shù)或者涂覆制備得到三維多孔石墨烯超薄膜，增加敏感薄膜的比表面積，利于響應(yīng)性能的進一步提高。

本實用新型是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

一種基于三維多孔石墨烯超薄膜的垂直響應(yīng)型氣體傳感器，包括第一電極、第二電極以及位于第一電極與第二電極之間的三維多孔石墨烯超薄膜；所述三維多孔石墨烯超薄膜的厚度為50～900納米，孔隙率為10%～80%。

上述技術(shù)方案中，所述三維多孔石墨烯超薄膜位于第一電極外表面。氣體傳感器有兩個電極，分別為正負電極，第一電極、第二電極是相對而言；三維多孔石墨烯超薄膜位于第一電極外表面是指在第一電極外側(cè)壁都設(shè)置三維多孔石墨烯超薄膜；這是本實用新型首次公開的結(jié)構(gòu)，因為現(xiàn)有技術(shù)同平面結(jié)構(gòu)無法采用此手段，本實用新型可有效增加傳感膜與氣體分子的接觸，為檢測準(zhǔn)確提供基礎(chǔ)。

上述技術(shù)方案中，所述三維多孔石墨烯超薄膜的孔徑為0.5～2納米。孔徑是傳感膜的重要結(jié)構(gòu)特征，也是促使其能夠與氣體分子良好接觸的重要因素，還是其保持結(jié)構(gòu)完整均一的關(guān)鍵指標(biāo)；本實用新型的三維多孔石墨烯超薄膜孔徑分布合理，既保持了傳感膜的完整性，又防止片層堆砌作用造成的石墨烯片與氣體分子的接觸面積大幅降低，從而影響傳感器的氣敏性能的問題。

上述技術(shù)方案中，所述基于三維多孔石墨烯超薄膜的垂直響應(yīng)型氣體傳感器還包括硅基底；所述第一電極、第二電極大小一致，即本實用新型中，電極都實現(xiàn)最大化，傳感膜可以填充兩個電極的間隙，與現(xiàn)有技術(shù)不同，無需露出膜，因此第一電極、第二電極不接觸；成功解決了現(xiàn)有技術(shù)因為傳感膜易導(dǎo)致電極接觸而只能同平面設(shè)計電極的問題。

上述技術(shù)方案中，所述第一電極與三維多孔石墨烯超薄膜固定連接；所述第二電極與三維多孔石墨烯超薄膜固定連接。本實用新型中，位于中間的傳感膜與兩側(cè)的電極都形成非常穩(wěn)定的界面，避免因多孔、厚度造成的器件結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的問題。

優(yōu)選的，所述三維多孔石墨烯超薄膜的厚度為80～500納米，孔隙率為40%～60%。本實用新型首次利用三維多孔石墨烯超薄膜，實現(xiàn)了夾心結(jié)構(gòu)的氣體傳感器，具有高的氣體檢測靈敏度以及檢測準(zhǔn)確率；特別的，本實用新型的結(jié)構(gòu)克服了現(xiàn)有技術(shù)認為只能同平面設(shè)計正負電極的技術(shù)偏見。

本實用新型的基于三維多孔石墨烯超薄膜的垂直響應(yīng)型氣體傳感器的制備方法，可以包括以下步驟：

（1）將液體氧化劑以及硫酸鹽加入氧化石墨烯水溶液中，用酸調(diào)節(jié)pH為1～4；然后超聲處理形成氧化石墨烯分散液；將氧化石墨烯分散液紫外處理后進行透析處理，得到帶負電多孔石墨烯分散溶液；所述紫外處理的功率為1500 W～4000 W，時間為30 s～30 min；

（2）將對苯二胺加入帶負電多孔石墨烯分散溶液中，回流反應(yīng)得到帶正電的多孔石墨烯分散液；

（3）將第一電極依次浸入帶負電的多孔石墨烯分散液、帶正電的多孔石墨烯分散液中，重復(fù)15～300次，干燥得到帶有三維多孔石墨烯超薄膜的第一電極；